量子点技术的基础知识分析

概 述

量子点是一种重要的低维半导体材料，其三个维度上的尺寸都不大于其对应的半导体材料的激子玻尔半径的两倍。量子点一般为球形或类球形，其直径常在2-20 nm之间。常见的量子点由IV、II-VI，IV-VI或III-V元素组成。具体的例子有硅量子点、锗量子点、硫化镉量子点、硒化镉量子点、碲化镉量子点、硒化锌量子点、硫化铅量子点、硒化铅量子点、磷化铟量子点和砷化铟量子点等。

量子点是一种纳米级别的半导体，通过对这种纳米半导体材料施加一定的电场或光压，它们便会发出特定频率的光，而发出的光的频率会随着这种半导体的尺寸的改变而变化，因而通过调节这种纳米半导体的尺寸就可以控制其发出的光的颜色，由于这种纳米半导体拥有限制电子和电子空穴（Electron hole）的特性，这一特性类似于自然界中的原子或分子，因而被称为量子点。

主 要 特 性

（1）量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。以CdTe量子为例，当它的粒径从2.5 nm生长到4.0 nm时，它们的发射波长可以从510 nm红移到660 nm。而硅量子点等其他量子点的发光可以到近红外区。

（2）量子点具有很好的光稳定性。量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍，它的稳定性更是“罗丹明6G”的100倍以上。因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。一般来讲，共价键型的量子点（如硅量子点）比离子键型的量子点具有更好的光稳定性。

（3）量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了在荧光标记中的应用。而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄，不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发，这给实际的研究工作带来了很多不便。此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。

（4）量子点具有较大的斯托克斯位移。量子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。

（5）生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后，可以进行特异性连接，其细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测。在各种量子点中，硅量子点具有最佳的生物相容性。对于含镉或铅的量子点，有必要对其表面进行包裹处理后再开展生物应用。

（6）量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒（这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当）。而具有直接带隙的量子点的荧光寿命可持续数十纳秒（20-50 ns)，具有准直接带隙的量子点如硅量子点的荧光寿命则可持续超过100μs。这样在光激发情况下，大多数的自发荧光已经衰变，而量子点的荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。

总而言之，量子点具有激发光谱宽且连续分布，而发射光谱窄而对称，颜色可调，光化学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性，是一种理想的荧光探针。

概 念 另 析

量子点不是点：当前，科学家能够制造和定制高效的、每次发射一个光子（光线当前本组成单元）的光源发射器。科学家将这样的发射器称为量子点，其包含数千个原子。以前，科学家认为，量子点是三个维度的尺寸都在100 nm以下，外观恰似一很小的点状物。但当前科学家发现，量子点不能被描述成光线的点源，因此，科学家得出了一个令人吃惊的结论：量子点不是点。

量 子 点 电 视

它与传统液晶电视的不同主要在于采用了不同的背光源，从而带来性能上的诸多不同，比传统LED背光的传统液晶电视在画面质量与节能环保上更具优势，已成为业内液晶电视新的发展方向。

1、色域范围更加宽广

电视机色域可以理解能显示色彩的范围，色域越广，色彩表现效果也越好。随着液晶电视的不断普及，液晶电视取代了传统电视、等离子电视，但其暴露出来的问题也是衡多：对比度低、色域低、响应时间长。但量子点电视却可解决三类问题。

2、亮度大幅度提升更加明亮

凭借其独天独厚的优势，相比于当下其他电视，量子点电视可使电视亮度提升30%-40%。

3、低成本 高质量

量子点电视因其电视显示技术—量子点的成本较低，却可以带来高质量的电视显示效果，颇受厂商青睐。

量子点电视缺点

1、功耗大、使用寿命较其他电视有差距

量子点电视中的量子点其本质上可以划归到LED中。由于采用大量发光量子点来保证电视亮度提升，所以量子点功耗颇大，相比于液晶电视等功耗上会多出10%-20%。另外其使用寿命也是较短，一般情况下可以使用4-6年，较液晶电视高达8-10年使用寿命存在不小的差距。

2、存在健康问题隐患

量子点由锌、镉、硒和硫原子构成，那么就存在镉挥发的问题!镉是一种挥发性的致癌物，电视时间用久了，由于这样那样的问题，谁都不能保证量子点电视的镉不会造成挥发，一旦挥发，后果不堪设想。

和纳米粒子的区别

一、指代不同

1、纳米粒子：是指粒度在1—100nm之间的粒子（纳米粒子又称超细微粒）。属于胶体粒子大小的范畴。

2、量子点：是在把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。

二、特点不同

1、纳米粒子：处于原子簇和宏观物体之间的过度区，处于微观体系和宏观体系之间，是由数目不多的原子或分子组成的集团，因此既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。

2、量子点：具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的（1-100个）整数个的电子、电洞或电子电洞对，即其所带的电量是元电荷的整数。

三、应用不同

1、纳米粒子：用纳米粒子进行催化反应可以直接用纳米微粒如铂黑、银、氧化铝、氧化铁等在高分子聚合物氧化、还原及合成反应中做催化剂，可大大提高反应效率，利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应触媒，燃烧效率可提高100倍；催化反应还表现出选择性。

2、量子点：很多现代发光材料和器件都由半导体量子结构所构成，材料形成的量子点尺寸都与过去常用的染料分子的尺寸接近，因而像荧光染料一样对生物医学研究有很大用途。